La ceinture de Kuiper

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Après la découverte de Pluton, en 1930, les astronomes ont cherché une
éventuelle dixième planète autour du Soleil. Ils pensaient que cette mys-
térieuse «Planète X» était trop lointaine pour être observée à l’aide de téles-
copes, mais les perfectionnements de l’optique astronomique, dans les
décennies qui suivirent, n’ont pas permis de trouver ce corps. À la fin des années
1980, la plupart des astronomes acceptaient l’idée d’un Système solaire com-
posé seulement des neuf planètes familières.
Cette conception changea en 1992, lorsque nous identifiâmes un corps
céleste de quelques centaines de kilomètres de diamètre, plus éloigné du
Soleil que toutes les planètes connues. Depuis, on a recensé une trentaine de
corps analogues, en orbite au-delà de Pluton et de Neptune (comme leurs
orbites se croisent, elles se disputent la palme de planète la plus éloignée du
Soleil) dans le Système solaire externe. Ces objets, dont nous n’avons vrai-
semblablement découvert qu’une petite partie, constituent la ceinture de Kui-
per, ainsi nommée en hommage à l’astronome Gerard Kuiper qui, dès 1951,
en avait supposé l’existence.
Kuiper forgea sa conviction en observant le comportement de comètes. Ces
noyaux de glace et de poussière, de quelques kilomètres de diamètre, quittent
régulièrement le Système solaire externe et s’approchent du Soleil. Des pous-
sières et du gaz, arrachés à leur surface par le rayonnement solaire, forment
alors des halos lumineux et des traînées lumineuses allongées.
La ceinture
de Kuiper
JANE LUU • DAVID JEWITT
Au-delà des orbites de Pluton et de Neptune, un
anneau de petits objets ceinture le Système solaire.

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1. LES CONFINS DU SYSTÈME SOLAIRE contiennent de la matière dans un état voisin de
celui qui prévalait lorsque les planètes se sont formées. En ces temps reculés, Pluton
(avant-plan) aurait capturé son satellite, Charon (à droite) et expulsé un troisième corps
(en haut, à gauche) dans l’espace. La région aurait alors été remplie de poussières et
encombrée d’objets accrétés dans de la ceinture de Kuiper en formation.

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Depuis longtemps, les astronomes
ont compris que ces comètes actives
sont de jeunes membres du Système
solaire interne. La comète de Halley,
qui revient tous les 76 ans, perd un dix-
millième de sa masse à chaque pas-
sage près du Soleil. Elle survivra pen-
dant 10 000 orbites environ, soit un
peu plus d’un demi-million d’années.
Aujourd’hui, les comètes, formées en
même temps que le Système solaire,
voici 4,5 milliards d’années, devraient
donc avoir perdu tous leurs éléments
volatils, ne laissant que des noyaux
rocheux inactifs ou des nuages diffus
de poussières. Pourquoi tant de
comètes nous offrent-elles alors ces
spectacles enchanteurs?
Fil d’Ariane
Les comètes qui sont aujourd’hui acti-
ves naquirent quand le Système solaire
était encore dans l’enfance. Depuis,
elles sont restées «au frais» dans un
«réfrigérateur céleste» nommé nuage
de Oort, dans le Système solaire
externe. L’astronome hollandais Jan
Oort proposa en 1950 l’existence de
cette sphère de matière cométaire
contenant des centaines de milliards
de comètes ; il pensait que son dia-
mètre atteignait 100 000 unités astro-
nomiques (l’unité astronomique, ou
UA, est définie comme la distance
moyenne entre la Terre et le Soleil, soit
150 millions de kilomètres environ).
Selon Oort, les perturbations gravi-
tationnelles des étoiles qui passent à
proximité du Système solaire dévient
parfois certaines comètes du nuage de
leurs orbites stables vers des orbites
qui s’approchent du Soleil : ces
comètes inactives depuis des milliards
d’années s’évaporeront en quelques
millions d’années dans le Système
solaire interne.
Cette théorie explique la taille et
l’orientation des orbites des comètes
à longue période (celles qui tournent
autour du Soleil en plus de 200 ans).
Conformément à ce que l’on attend
de comètes émanant d’un réservoir
sphérique comme le nuage de Oort, les
SOLEIL
JUPITER
SATURNE
NEPTUNE URANUS
CEINTURE DE KUIPER
2. LA GRAVITÉ DES PLANÈTES a balayé les petits objets à l’intérieur de l’orbite de Neptune lors des premières phases du Système solaire.
Certains de ces objets ont plongé vers le Soleil ; d’autres ont filé vers le lointain nuage de Oort (non représenté).
100 UNITÉS ASTRONOMIQUES
SOLEIL
NEPTUNE
3. D’INNOMBRABLES OBJETS appartenant à la ceinture de Kuiper sont en orbite autour du
Soleil, à grande distance de lui, mais ces objets ne sont pas tous visibles de la Terre. Les
objets qui peuvent être détectés (cercles rouges) à l’aide du télescope de 2,2 mètres de
diamètre sur le Mauna Kea, à Hawaii, se concentrent près du bord interne de l’anneau, comme
le montre cette simulation numérique de la répartition de la matière lointaine.

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astronomes observent que ces comètes
pénètrent dans le Système solaire
interne en provenance de toutes les
directions. En revanche, la théorie de
Oort n’explique pas l’origine des
comètes à courte période qui parcou-
rent des orbites plus petites, faiblement
inclinées par rapport au plan de l’or-
bite terrestre (le plan de l’écliptique).
La plupart des astronomes pen-
saient que les comètes à courte période
étaient initialement des comètes à
longue période dont les orbites auraient
été raccourcies et aplaties par les per-
turbations gravitationnelles des pla-
nètes – principalement Jupiter.
Cependant, tous les scientifiques ne
souscrivaient pas à cette idée. Dès 1949,
l’autodidacte irlandais Kenneth Essex
Edgeworth écrivit un article où il pro-
posait l’existence d’une ceinture apla-
tie de comètes dans le Système solaire
externe. Kuiper, dans son article de
1951, envisagea aussi cette ceinture
de comètes, sans mentionner le travail
antérieur d’Edgeworth.
Pour Kuiper, le disque du Sys-
tème solaire ne s’arrêtait pas brus-
quement à l’orbite de Neptune ou de
Pluton. Il imaginait au contraire une
ceinture au-delà de ces planètes, consti-
tuée de matière résiduelle de la for-
mation des planètes. La densité de
matière devait y être si faible que de
grosses planètes n’auraient pu s’y
agglomérer, mais des objets plus petits,
de la taille d’astéroïdes, pouvaient exis-
ter. Éloignés du Soleil, ces vestiges de
matière primordiale conserveraient des
températures superficielles basses ;
ils pourraient donc se composer de
glace et de gaz gelés, comme les noyaux
des comètes.
La théorie de Kuiper resta mécon-
nue jusqu’à ce que Paul Joss, de l’Ins-
titut de technologie du Massachusetts,
calcule, dans les années 1970, que la
faible probabilité de capture gravita-
tionnelle par Jupiter n’était pas com-
patible avec le grand nombre de
comètes à courte période observées.
Comme personne ne put confirmer ses
calculs, le nuage de Oort demeura la
source admise de toutes les comètes,
qu’elles soient à période longue ou
courte, mais le doute était semé. En
1988, les Canadiens Martin Duncan,
Thomas Quinn et Scott Tremaine uti-
lisèrent des simulations numériques
pour étudier comment les planètes
gazeuses géantes captaient des
comètes. Tout comme P. Joss, ils conclu-
rent que le mécanisme de capture était
peu efficace. Leurs travaux montrè-
rent également que les rares comètes
qui pouvaient être extraites du nuage
de Oort par l’attraction gravitation-
nelle des planètes avaient des orbites
très inclinées par rapport au plan de
l’écliptique.
Pour ces astrophysiciens, les
comètes à courte période ne prove-
naient pas du nuage de Oort, mais de
la capture, par les planètes, d’objets
présents dans un anneau situé dans
le Système solaire externe ; les orbites
de ces comètes à courte période étaient
originellement peu inclinées par rap-
port à l’écliptique. Toutefois, pour que
les calculs soient plus rapides, ils
avaient multiplié les masses des pla-
nètes par 40. Cet artifice de calcul, qui
accroissait l’attraction gravitationnelle
des planètes, fut critiqué par les astro-
physiciens, qui doutèrent des résultats.
La récompense
de l’observation
Dès 1987, nous avons commencé une
campagne d’observations pour savoir
si le Système solaire était réellement
vide au-delà de l’orbite de Pluton ou
s’il était peuplé de petits corps froids.
Pour recueillir la faible lumière réflé-
chie par des astres aussi lointains, nous
avons abandonné les classiques
plaques photographiques et avons uti-
lisé des détecteurs électroniques à trans-
fert de charge (CCD), plus sensibles,
installés sur un grand télescope.
4. DES IMAGES successives, prises en 1992 (au milieu et en bas), dévoilent, sur le fond
des étoiles fixes, l’objet QB1 qui appartient à la ceinture de Kuiper. Cette paire d’images ne
couvre qu’une petite portion du champ complet (en haut, à droite) que les auteurs ont dû
analyser avant d’identifier QB1(flèches) et de déterminer son orbite (en haut, à gauche).
QB1
20 UNITÉS ASTRONOMIQUES
SOLEIL
URANUS
NEPTUNE
PLUTON
SATURNE
QB1
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